Et diatomisk molekyl er et molekyl som består av to atomer som har en kjemisk binding til hverandre. Prefikset di- er av gresk opprinnelse og betyr to.
Ved romtemperatur opptrer syv grunnstoffer som diatomiske molekyler: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2 og I2. Diatomiske molekyler kan også inneholde atomer fra forskjellige grunnstoff, som HCl eller CO.